延长使用寿命:聚合物水泥砂浆常常用于混凝土表面的薄层修补,如何保证修补材料及结构的耐久性还应进行深入研究,特别是抗裂性、抗疲劳性能、耐老化性能等。特别是国内外聚合物砂浆抗冻性的研究较少,尤其是砂浆修补混凝土结构后的抗冻性的研究报道较少,所以该研究很有必要。
聚合物的掺入可以提高水泥砂浆和混凝土的强度、粘结性能、抗渗透性、耐腐蚀性等,因此聚合物被广泛用于提高建筑材料的性能。用于修补混凝土结构表面缺陷的聚合物改性水泥砂浆(PMCM),可分为乳液类和胶粉类。对大量应用于PMCM中的聚合物的调查表明,通过乳液聚合的聚合物应用最为广泛并且能够被接受。用于聚合物改性水泥砂浆中的常用聚合物乳液主要有丁苯类乳液(SBR)、丙烯酸类乳液(PAE)、环氧类乳液(EE)、氯丁类乳液(CR)、苯丙乳液(SAE)、醋酸乙烯酯-乙烯共聚物乳液(VAE)、支化羟酸乙烯酯乳液(VA-VEOVA)、聚醋酸乙烯酯乳液(PVAC)等。
掺入掺和料对改性砂浆的强度影响显著,不同学者的研究结果相差较大。有学者研究发现,掺入硅灰或矿渣后,改性水泥砂浆的强度提高,其中掺入10%硅灰的改性效果优于掺入40%的矿渣。有研究表明,掺入超细矿渣后,聚合物改性砂浆的28d抗压抗折强度比普通水泥砂浆高出15%~25%。在文献的研究中,研究了不同种类的矿物掺和料对聚合物改性砂浆性能的影响情况,结果表明,掺加粉煤灰能提高砂浆的抗折强度,掺加矿渣粉能提高砂浆的抗压粉煤灰的加入会减小改性砂浆的强度,同时粉煤灰的细度不同也会影响改性砂浆的强度。
修补用聚合物乳液的选择
在实际工程中,应根据具体的技术要求及性价比来选用合适的聚合物乳液改性水泥砂浆。
成本的控制在修补加固工程中是一个非常重要的环节,而聚合物乳液的成本又占修补材料的很大部分,引言中所提到的几种聚合物乳液,价格高低顺序一般为EE>PAE >SAE>CR>SBR>VAVEOEA>VAE>PVAC。
提高性价比:聚合物水泥砂浆价格是普通水泥砂浆的数倍,因此在降低成本的同时保证其性能将是一大难题。因此,有必要系统深入地研究优化材料组成中乳液、高效减水剂、纤维、超细矿粉掺和料、水玻璃、水溶性聚合物等材料组成与配比,进一步改善水泥砂浆的性能。并根据各种聚合物的性能特点和具体的工程应用要求来选择性价比更合理的修补材料。
如果工程对抗渗性和粘结强度要求较高,但对颜色要求不高时,选用SBR较好。对以上3项都有较高要求,特别是保持颜色重要且外部使用白水泥的场合则选用PAE。对粘结强度要求较高,抗渗性和颜色保持要求一般时,可选用VAE。只对粘结强度有要求,对耐水性没有要求的场合,可选用PVAC,此类乳液最常用来修补桥梁面板、停车场面板及楼板。对潮湿环境或外部暴露而非暴露在紫外线下的场合,可选用苯乙烯丁二烯乳液(SB);对暴露在紫外线下的场合,应当使用PAE。对耐腐蚀性有较高要求的化工场合,应选用GB50046-2008《工业建筑防腐设计规范》中所列入的氯丁乳液水泥砂浆、聚丙烯酸酯乳液水泥砂浆、环氧乳液水泥砂浆。
聚合物改性砂浆的工作时间与凝结时间没有直接的关系,主要与施工时表面的干燥条件(温度、湿度、风速等)有关。如果改性砂浆表面干得太快,较早形成“硬皮”,就会影响最后的修整工作。一般来说,聚合物改性砂浆拌合完暴露于空气中后,需要有15~30min的工作时间进行表面刮平等修整工作。
聚合物改性水泥砂浆的性能工作性
塑性开裂
新拌砂浆在凝结硬化前(塑性阶段)由于表面水分快速蒸发容易产生塑性开裂,主要原因是砂浆内部的泌水速度与表面水分的蒸发速度之间存在差别。研究表明,聚合物的掺入限制了砂浆塑性收缩导致的表面和内部微裂缝的产生。有学者认为,聚合物减缓了水泥水化的放热速率,提高了砂浆的抗开裂性能,但收缩变形会增大。对此有学者发现,掺加适量的聚丙烯纤维可以有效抑制改性砂浆的塑性开裂。进一步的研究发现,纤维的种类和长度、聚丙烯纤维的几何形态、不同的搅拌方式、砂子的粒径对改性砂浆的早期失水都有一定的影响。考虑到乳液改性砂浆的收缩变形较大,在现场施工时应特别注意蒸发率超过0.5kg/(m2·h)的情况,施工完后最好对砂浆采取短期的保湿养护措施。
聚合物改性水泥砂浆的性能工作性
干缩
聚合物改性砂浆的干缩主要受到聚合物种类和聚灰比的影响,随时间的延长而增大,通常砂浆的28d干缩随聚灰比的增大而减小。文献把不同掺量的丁苯乳液掺入水泥砂浆中,乳液掺量分别为3%,6%,9%和12%,研究表明,乳液掺量为6%时,改性砂浆的90d收缩变形降低幅度最大(9.4%);28d龄期前,乳液掺量>3%时,乳液的掺入会抑制改性砂浆的收缩变形,掺加12%的乳液时其收缩变形降幅超过20%。关于聚合物乳液砂浆减缩的机理,有研究认为,乳液的掺入减缓了砂浆早期水化放热的速率,减少了后期养护时砂浆内部水分的丢失,因而产生减缩效果。为了进一步减小收缩,通常采用的方法是掺纤维。有研究发现,掺加1.5%聚丙烯纤维的聚合物乳液改性砂浆的收缩较空白普通水泥砂浆减少40.5%,较同掺量乳液的改性砂浆减少28.6%。另外,利用改性剂例如一些带有特殊基团的聚合物单体对聚合物乳液进行改性,也能达到减缩的效果。
聚合物砂浆的配合比(聚灰比、水灰比、灰砂比等)是影响砂浆强度的主要因素。文献研究表明,当聚灰比<7.5%时,SBR的掺入会显著降低砂浆的抗压强度。文献对比了3种不同类型聚合物乳液对自流平砂浆强度的影响,研究发现,3种改性水泥砂浆的抗压强度随着聚合物掺量的增加均有所下降。对此有学者研究认为,纤维素醚的掺入减缓了聚合物对砂浆抗压强度的降低趋势。文献研究发现,水灰比对改性砂浆的抗压抗折强度略有影响。而当水泥砂浆的灰砂比不同时,聚合物乳液对抗压抗折强度的改性效果也不同。